田 帆，梁冠宇，歷志安，蔣帥強(qiáng)

(1.浙江省家具與五金研究所，浙江 杭州 310013；2.中國計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

“互開率”是衡量鎖頭安全性能的主要指標(biāo)之一，是指用非本鑰匙開啟鎖具的概率，該指標(biāo)直接反映產(chǎn)品的精度情況。不同國家對(duì)“互開率”指標(biāo)的要求和測(cè)試方法均不相同：歐盟標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，使用由制造商根據(jù)編碼系統(tǒng)定義的相似鑰匙進(jìn)行開鎖測(cè)試[1-3]，即使用與正確的鑰匙在某一齒上只差一個(gè)極差的復(fù)制鑰匙不能開鎖。最相似的鑰匙無法開鎖，確保了所有非本鑰匙開不了鎖，也即“互開率”為0。該測(cè)試方法簡(jiǎn)單、直接，但依賴于制造商的誠信；美國標(biāo)準(zhǔn)不直接使用“互開率”指標(biāo)，而是通過產(chǎn)品的靈活度的衰減要求來達(dá)到規(guī)范精度的目的[4-5]，其要求在完成50%壽命試驗(yàn)時(shí)和完成強(qiáng)度試驗(yàn)后，各靈活度指標(biāo)衰減均不得超過初始要求的20%。能夠達(dá)到該靈活度要求的產(chǎn)品，也能保障其基本不出現(xiàn)互開現(xiàn)象；我國的標(biāo)準(zhǔn)采用人工方式對(duì)50或100個(gè)鑰匙和鎖頭(根據(jù)結(jié)構(gòu)或等級(jí))相互開啟的方法進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算[6-7]，該測(cè)試方法更容易真實(shí)反映產(chǎn)品實(shí)際性能，但較為繁瑣。

目前，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)不涉及相互開啟的測(cè)試方法，國外沒有自動(dòng)化互開設(shè)備的相關(guān)研究。而在國內(nèi)，由于鎖頭產(chǎn)品加工精度往往不高，鑰匙定位難度較大，市場(chǎng)上也未見自動(dòng)進(jìn)行互開率測(cè)試的設(shè)備，國內(nèi)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和鎖具企業(yè)均采用人工的方式進(jìn)行試驗(yàn)。針對(duì)互開率自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備的研究，國內(nèi)仍處于空白階段；本文在鎖頭幾何偏差分析[8]的基礎(chǔ)上，研究鑰匙定位可行性，研制了用于鎖頭互開率測(cè)試的自動(dòng)化試驗(yàn)機(jī)，對(duì)測(cè)試裝備自動(dòng)化進(jìn)行了有益的嘗試，從而有效節(jié)約了人力成本。

1 總體方案

1.1 傳動(dòng)方案

要實(shí)現(xiàn)互開測(cè)試，就要求鑰匙和鎖頭能產(chǎn)生相對(duì)位移，一般可采用鏈條傳動(dòng)和轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)兩種形式：鏈條傳動(dòng)方案中，可以使用鎖頭固定，鑰匙機(jī)構(gòu)橫移的方式，也可以使用鑰匙機(jī)構(gòu)橫向固定，鎖頭通過傳送橫向移動(dòng)的方式，達(dá)到不同鑰匙和鎖頭相互開啟的目的，如圖1；轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)方案中，100個(gè)鎖頭被分別固定在兩個(gè)轉(zhuǎn)盤上，通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鑰匙夾取機(jī)構(gòu)和鎖頭裝夾機(jī)構(gòu)的相對(duì)移動(dòng)。兩個(gè)鑰匙夾取機(jī)構(gòu)能夠分別對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)盤上的鎖頭實(shí)現(xiàn)插拔開啟動(dòng)作，如圖2。

鏈條傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)對(duì)零部件的精度要求相對(duì)不高，且能夠較為方便地實(shí)現(xiàn)多個(gè)鑰匙執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同工作，提升效率，但其結(jié)構(gòu)所需空間較大；轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，設(shè)備尺寸相對(duì)較小且程序設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但鑰匙執(zhí)行機(jī)構(gòu)無擴(kuò)展性，對(duì)轉(zhuǎn)盤水平度要求高。綜合考慮，轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)方案在滿足測(cè)試要求的基礎(chǔ)上，能夠更好地兼顧尺寸的需求。

圖1 鏈條傳動(dòng)方案

圖2 轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)方案

1.2 鑰匙定位方案

同一批鎖頭產(chǎn)品的各個(gè)樣本在鎖頭體和鎖芯的配合間隙、鑰匙槽角度、鑰匙槽位置等參數(shù)上都會(huì)存在一定差異。因此夾取機(jī)構(gòu)在通過第一把鑰匙完成定位后，是否能克服樣本差異的影響，順利插入其余鎖頭的匙槽，成為了夾取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的考量前提。

1.2.1 分析樣本

共選取了12批次鎖頭產(chǎn)品作為分析樣本，樣本包括各類結(jié)構(gòu)與質(zhì)量水平的產(chǎn)品，以質(zhì)量水平較低的產(chǎn)品為主。

表1 樣品信息

注：鎖頭按結(jié)構(gòu)分為彈子結(jié)構(gòu)、葉片結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)；按匙槽形狀分為平面結(jié)構(gòu)和直槽結(jié)構(gòu)。

1.2.2 測(cè)量參數(shù)及結(jié)果

1.2.2.1 匙槽位置偏差

鎖芯端面結(jié)構(gòu)如圖3、圖4，若以D點(diǎn)作為匙槽定位，則D點(diǎn)相對(duì)于E點(diǎn)在x和y軸上的位移為

d[x,y]=D[x,y]-E[x,7]。

(1)

通過測(cè)量可得到同批次各樣本的d[x,y]值，由于E點(diǎn)偏差可忽略不計(jì)(E點(diǎn)的定位精度能夠通過夾具保障[9])，利用式(2)計(jì)算出各樣本匙槽位置相對(duì)偏差Δ1(i)：

(2)

根據(jù)式(1)(2)，對(duì)12批次樣本匙槽位置偏差測(cè)量的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖5、圖6。

圖3 平面結(jié)構(gòu)端面

圖4 直槽結(jié)構(gòu)端面

圖5 匙槽位置偏差統(tǒng)計(jì)(x軸向)

圖6 匙槽位置偏差統(tǒng)計(jì)(y軸向)

1.2.2.2 匙槽允許最大偏差

匙槽允許最大偏差是假定鑰匙夾具位置固定條件下，匙槽在x軸向和y軸向能夠使鑰匙順利插拔的理論最大偏差。

1)x軸

平面結(jié)構(gòu)匙槽允許最大偏差是由鑰匙導(dǎo)向槽在x軸向上的長(zhǎng)度來決定的，用Δ2表示。當(dāng)匙槽偏差尺寸Δ1小于Δ2時(shí)，鑰匙由于在x軸向具有自由度，能被自動(dòng)導(dǎo)入匙槽；直槽鑰匙相對(duì)于夾具位置固定，匙槽最大偏差Δx由鑰匙和匙槽配合間隙及鎖芯和鎖頭體配合間隙共同決定。當(dāng)鑰匙在y軸向定位偏差小于匙槽偏差時(shí)，在鑰匙y軸向?qū)虿鄣淖饔孟拢i芯匙槽在y軸向能夠產(chǎn)生一定的偏移，以適應(yīng)鑰匙能夠順利插入。

2)y軸

平面鑰匙相對(duì)于夾具位置固定，匙槽最大偏差Δy由鑰匙和匙槽配合間隙及鎖芯和鎖頭體配合間隙共同決定；直槽結(jié)構(gòu)匙槽y軸向最大偏差是由鎖芯導(dǎo)向圈的半徑R決定的，當(dāng)鑰匙在導(dǎo)向圈范圍內(nèi)時(shí)，鑰匙由于在y軸向具有自由度，能被自動(dòng)導(dǎo)入匙槽。

1.2.3 可行性計(jì)算

理論上，只要匙槽位置偏差在匙槽允許最大偏差內(nèi)，就能找到某一鑰匙定位位置，使鑰匙能夠插入各樣本的匙槽。實(shí)際鑰匙定位調(diào)試中，為了便于鑰匙定位，一般將100個(gè)測(cè)試樣本中第一個(gè)鑰匙拔出匙槽后的位置作為定位位置，即第一個(gè)匙槽位置為標(biāo)準(zhǔn)位置?？紤]到最為惡劣的情況，鑰匙定位最小位移等于匙槽最大偏差和最小偏差(負(fù)向最大偏差)之差。

Δkey=|Δmax-Δmin|。

(3)

根據(jù)圖5、圖6匙槽位置偏差測(cè)量數(shù)據(jù)，可計(jì)算出各樣本的鑰匙定位最小位移值，如表3。

表2 匙槽允許最大偏差測(cè)量結(jié)果

Table 2 Measurement results of maximum allowable deviation of keyway

樣本批號(hào)測(cè)量參數(shù)偏差/mm1#2#3#4#5#6#001Δ21.5271.2431.5881.4091.4851.465Δy0.940.871.011.021.101.04002Δx1.110.900.870.760.880.95R2.9202.8162.7513.0252.9222.830003Δ21.3601.3021.3431.3621.3411.357Δy0.800.800.871.010.910.82004Δ20.6760.6410.6830.6680.6750.787Δy0.710.660.740.810.790.69005Δ20.9820.9580.9660.9530.9710.969Δy1.311.161.271.191.221.21006Δ20.7490.7480.8220.7530.8010.767Δy1.090.910.991.030.971.14007Δ21.0210.9431.0760.9581.0331.049Δy0.570.570.620.660.590.63008Δ20.5890.5670.5740.6010.5920.577Δy0.850.680.680.910.870.85009Δ20.7970.8670.7530.8510.8020.866Δy0.720.820.720.790.830.78010Δ21.3141.3481.4761.3551.2071.321Δy0.330.450.350.430.350.42011Δx0.811.051.220.770.831.45R2.7223.1153.0392.9873.1153.536012Δx1.020.850.700.830.880.79R2.2352.5012.1972.8352.6722.248

表3 鑰匙定位最小位移計(jì)算結(jié)果

由1.2.2.2匙槽允許最大偏差分析可知：對(duì)于平面結(jié)構(gòu)，要使鑰匙能順利插入鎖芯，在x軸上需Δ2-Δkey>0，在y軸上需Δy-Δkey>0；對(duì)于直槽結(jié)構(gòu)，在x軸上需Δx-Δkey>0，在y軸上需R-Δkey>0。其中，Δ2、Δy、Δx、R由表2給出，見表3，通過計(jì)算可得，在樣本匙槽不同偏差下，鑰匙定位均能滿足要求。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鑰匙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

由前述定位分析可知，通過與夾取機(jī)構(gòu)間的自由度，理論上已能夠保證鑰匙插入各鎖頭的匙槽，無需夾取機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)鎖頭和鑰匙的互開操作，還要求鑰匙相對(duì)于鎖頭，在橫向和縱向兩個(gè)方向均能產(chǎn)生相對(duì)位移。鑰匙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖7。連接鑰匙夾取機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)氣缸(3)固定于水平臺(tái)面(6)上的滑臺(tái)氣缸(2)機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)鑰匙夾取機(jī)構(gòu)的水平移動(dòng)和沿鑰匙軸向轉(zhuǎn)動(dòng)功能。通過與電機(jī)(7)直連的絲桿(4)和固定在水平臺(tái)面的螺母(5)的作用，帶動(dòng)水平臺(tái)面升降，實(shí)現(xiàn)鑰匙在垂直方向平移。電機(jī)(8)通過減速器(9)帶動(dòng)水平臺(tái)面轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鑰匙夾取機(jī)構(gòu)位置互換。

圖7 鑰匙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

2.2 自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)

平面鑰匙在x軸向位置，是隨著各鎖芯匙槽位置偏移而偏移。受限于鑰匙定位可行性分析中的樣本量，可能存在前后兩個(gè)鎖芯偏差方向相反且偏差較大，導(dǎo)致鑰匙的定位偏差大于匙槽偏差的極端情況，此時(shí)鑰匙無法順利插入鎖芯(直槽鑰匙情況也類似)。因此，需要自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，使鑰匙回到初始定位位置，鑰匙校正機(jī)構(gòu)通過固定的氣動(dòng)手指機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

3 關(guān)鍵零部件選擇

3.1 鎖頭承載轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸

水平臺(tái)面由于輕量化設(shè)計(jì)要求，選用鋁材作為主體材料。根據(jù)鎖頭夾具尺寸和裝夾方式可以估算出轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)最小直徑750 mm。轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)厚度直接關(guān)系到平臺(tái)的承載能力，單個(gè)平臺(tái)最低承載要求由鎖頭夾具重量和鎖頭重量共同決定。使用Solidwork中應(yīng)力應(yīng)變分析模塊，模擬實(shí)際裝夾情況，載荷均勻分布在轉(zhuǎn)盤最外邊20 mm寬的區(qū)域，按最大可能鎖頭和夾具重量對(duì)不同厚度臺(tái)面進(jìn)行形變分析。分析情況如圖8。

圖8 不同厚度下轉(zhuǎn)盤變形分析

圖9 轉(zhuǎn)盤最大變形統(tǒng)計(jì)

根據(jù)形變分析，可得不同厚度下轉(zhuǎn)盤最大變形量，如圖9。由統(tǒng)計(jì)圖可以直觀看出，隨著轉(zhuǎn)盤厚度的增加，轉(zhuǎn)盤最大形變呈指數(shù)級(jí)下降。當(dāng)轉(zhuǎn)盤厚度達(dá)到20 mm或25 mm時(shí)，轉(zhuǎn)盤的形變已可忽略不計(jì)。

3.2 鑰匙升降系統(tǒng)滾動(dòng)螺旋副

鑰匙機(jī)構(gòu)臺(tái)面升降系統(tǒng)由電機(jī)直連螺桿進(jìn)行滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)(如圖7)。由于本應(yīng)用中滾動(dòng)螺旋副處于低速工作狀態(tài)，因此其尺寸由額定動(dòng)載和額定靜載得出的尺寸較大值來決定[10]。

1)額定動(dòng)載荷

滾動(dòng)螺旋的額定壽命為

(4)

式(4)中：KP為載荷系數(shù)，KH為硬度影響系數(shù)，n為螺桿轉(zhuǎn)速，Ca為額定動(dòng)載荷，F(xiàn)a為螺旋軸向載荷。其中：Fa估算值為245 N;本應(yīng)用中載荷性質(zhì)為平穩(wěn)和輕微沖擊，因此載荷系數(shù)KP經(jīng)查詢可得最大為1.2；硬度影響系數(shù)KH根據(jù)查表最大為3.85；螺桿轉(zhuǎn)速n最大假定為120 r/min，額定壽命Lh根據(jù)測(cè)試儀器查表可得為15 000 h，計(jì)算可得動(dòng)載荷Ca≥5 390 N。

2)額定靜載荷

滾動(dòng)螺旋副靜載荷計(jì)算公式為

(5)

根據(jù)額定動(dòng)載荷和靜載荷的計(jì)算結(jié)果，通過查詢直線運(yùn)行球軸承承載能力[11]，公稱直徑20 mm，導(dǎo)程4 mm的產(chǎn)品已經(jīng)能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

3.3 傳動(dòng)電機(jī)

1)鑰匙平臺(tái)升降電機(jī)

伺服電機(jī)的選擇，需要考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩和額定轉(zhuǎn)速是否足夠帶動(dòng)平臺(tái)升降。轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩的大小，與平臺(tái)重量、絲桿導(dǎo)程和傳動(dòng)效率相關(guān)，其估算公式如下[12]：

(6)

式(6)中，S為滾動(dòng)螺旋副導(dǎo)程，m為平臺(tái)質(zhì)量，γ為傳動(dòng)效率。滾動(dòng)螺旋副導(dǎo)S程根據(jù)前述選型為4 mm，平臺(tái)質(zhì)量m為25 kg，滾動(dòng)螺旋副的傳動(dòng)效率一般在0.9以上，在功率校驗(yàn)時(shí)通常取值0.85，平臺(tái)在升降過程中還需克服與支撐軸的滾動(dòng)摩擦力，因此假定傳動(dòng)效率γ為0.5，帶入扭矩估算公式可計(jì)算出伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩要求T≥0.32 Nm。

2)鑰匙平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)

根據(jù)能量傳遞公式以及轉(zhuǎn)動(dòng)能量公式，可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩

(7)

式(7)中：T為轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩；w1為電機(jī)轉(zhuǎn)速；w2為平臺(tái)角速度；γ為傳動(dòng)效率；m為平臺(tái)質(zhì)量；r為平臺(tái)半徑。根據(jù)設(shè)計(jì)要求：轉(zhuǎn)臺(tái)半徑r=0.4 m；轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)量m=30 kg；設(shè)定最大平臺(tái)角速度w2=20 r/min；減速箱傳動(dòng)比選擇為10，w1=10w2=200 r/min；蝸桿減速箱傳動(dòng)效率按最低50%計(jì)[13]，帶入公式可得：T≥4.8 Nm。

3)鎖頭平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求：轉(zhuǎn)臺(tái)半徑r=0.375 m；轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)量m=52.5 kg；設(shè)定最大平臺(tái)角速度w2=20 r/min；減速箱傳動(dòng)比選擇為10，w1=10w2=200 r/min;蝸桿減速箱傳動(dòng)效率按最低50%計(jì)，帶入公式(7)可得：T≥4.8 Nm。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

互開率試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行方式為：1)設(shè)備自動(dòng)夾取i號(hào)鑰匙分別對(duì)1～100號(hào)鎖芯進(jìn)行開啟測(cè)試；2)放回i號(hào)鑰匙并夾取i+1號(hào)鑰匙分別對(duì)1～100號(hào)鎖芯進(jìn)行開啟測(cè)試；3)重復(fù)以上步驟直至完成所有100個(gè)鑰匙的開啟測(cè)試；轉(zhuǎn)化為測(cè)試過程軟件實(shí)現(xiàn)如圖10。

圖10 互開率試驗(yàn)流程圖

轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和升降由4個(gè)電機(jī)分別執(zhí)行，鑰匙的夾取、插拔、旋轉(zhuǎn)和校正分別由8個(gè)氣缸按既定順序執(zhí)行，由于執(zhí)行部件的動(dòng)作和順序較為復(fù)雜，需要由PLC進(jìn)行控制，控制實(shí)現(xiàn)如圖11。

圖11 PLC控制系統(tǒng)圖

5 結(jié) 語

本文通過鑰匙定位可行性分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了互開率自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，通過調(diào)試運(yùn)行正常。結(jié)果表明，利用鑰匙和夾取機(jī)構(gòu)間的自由度，可以實(shí)現(xiàn)鑰匙自動(dòng)導(dǎo)入匙槽操作。在實(shí)際調(diào)試過程中，開啟頻率調(diào)整至1次/min左右，在兼顧效率的同時(shí)，能有效降低需要二次定位調(diào)整現(xiàn)象。

為驗(yàn)證設(shè)備的有效性，選取了具有結(jié)構(gòu)代表性的8批次，每批次100個(gè)樣本，通過設(shè)備和人工兩種方法進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果未發(fā)現(xiàn)不一致現(xiàn)象。

在測(cè)試過程中，存在較小的概率鑰匙無法插入鎖芯需要人工干預(yù)的情況。本文的研究結(jié)果，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)夾取裝置等結(jié)構(gòu)，提高鑰匙定位的自適應(yīng)能力具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。